如何打造高效率的商用離子阱量子電腦

如何打造高效率的商用離子阱量子電腦?

量子運算是近來備受矚目的熱門議題,儘管量子技術還處於早期發展階段,但全球許多科技巨頭已積極佈局研發,以便搶得先機。工業大廠漢威聯合公司(Honeywell International)便是其中一家,先前即高調宣稱已運用離子阱技術成功製造出量子電腦,日前更宣布旗下量子業務完成收購英國Cambridge Quantum,並成立新的量子運算公司Quantinuum,提供軟硬體結合的全端量子計算解決方案,在全球各地擁有近四百位員工。

鴻海研究院於12月12日舉辦的「NExT Forum」中,便邀請到Quantinuum首席科學家Patty Lee分享漢威聯合在離子阱量子電腦的發現與成果。Patty於密歇根大學安娜堡分校獲得物理學博士學位,開發了用於離子阱中的量子邏輯閘的相位控制技術。她在加入漢威聯合前,曾於美國國家標準與技術研究所、美國陸軍研究實驗室和洛克希德馬丁公司擔任研究科學家。2016 年加入漢威聯合後,著重於研究離子阱量子電腦的量子電荷耦合器件(QCCD)架構。

為何選擇離子阱量子位元?

Quantinuum的H系列離子阱是基於QCCD架構,其特點是離子阱設備上擁有多個區域,能將離子移動到不同區域上執行量子操作。優點是可以保持短離子鏈,避免處理時過於複雜。即使系統中的離子數量增加,也可以保持高保真步態與非常低的串擾。Patty Lee表示,會選擇使用離子阱量子位元(trapped ion qubits)是為了使量子電腦達到最高性能。離子阱量子位元不僅滿足建構量子電腦必要條件的迪文森佐準則(DiVincenzo’s criteria,是建構量子電腦的必要條件,包含系統具有可掌控的量子位元並具有可擴充性、能夠將量子位元的狀態初始化為簡單基準狀態、具有長相干時間、一組通用的量子閘且能測量特定量子位元),同時與其他量子位元相比,保真度和量子位元間連接性能方面都較為出色。

除此之外,系統還有一些特殊功能,例如能執行帶有條件的量子運算,以及根據量子計算中途的量測結果,來執行特定的量子邏輯閘並重置特定的量子位元。Patty解釋,這些功能可以讓使用者執行更有效率的量子模擬(quantum simulation),或重複進行量子糾錯(quantum error correction)。

在離子選擇方面,Quantinuum使用鐿171離子進行量子計算,並同時搭配鋇138離子進行協同冷卻,能在避免破壞鐿171離子量子態的情況下同時冷卻系統。

積極與不同企業合作,讓量子電腦解決問題

軟體方面,Quantinuum提供由劍橋量子開發與硬體無關的量子計算開發套件,使用者可以在無須了解硬體的情況下,透過它編寫量子程式,並自動翻譯且優化成對應各式量子電腦的程式,且能在包括Google,IBM,IonQ,Quantinuum等公司提供的量子電腦執行。

Quantinuum也積極的與各類企業合作,利用量子電腦解決問題,例如DHL和劍橋量子合作使用 VQE 算法(variational quantum eigensolver)優化包裝過程:尋找將不同重量和大小的箱子,放入最少量的大箱子中的方法,這樣的問題稱為背包問題(Knapsack problem),可藉由團隊的量子電腦來尋找最佳解決方案。

離子阱量子電腦的優勢?

現階段團隊有兩個Model H1的系統 ,運行十到十二個量子位元,這些量子位元的相干時間(維持量子資訊的時間)長達數秒鐘,系統測量和邏輯閘的保真度(fidelity)均在 99.5% 以上。目前H1系統已經達到1024的量子體積,量子體積(Quantum Volume)是IBM提出用來衡量量子電腦能力和錯誤率的指標。Patty Lee表示,這是現有量子電腦至今為止量測到的最高紀錄。

除了提昇H1系統的量子位元數目及保真度以外,Patty Lee也透露,未來團隊的目標是在新的H系列離子阱增加更多的計算區域,同時也會集成光學元件到離子阱上。她認為,離子阱量子電腦因為極佳的保真度及量子位元連接性能,比起其他的系統在量子糾錯上有著更小的計算資源消耗,因此非常有希望能達成容錯量子計算的目標。(撰稿者:施中右 Chung-You Shih / 滑鐵盧大學Institute for Quantum Computing (IQC) 博士候選人 / LinkedIn

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